pengikat udara ialah sinaran koheren yang dihasilkan oleh penguatan bukan rongga melalui komponen utama udara atau terbitannya sebagai medium perolehan.Ia menggunakan "filamen optik femtosaat", saluran plasma suhu rendah yang dihasilkan oleh nadi laser femtosaat bertenaga tinggi, sebagai pembawa, yang mempunyai keupayaan penjanaan jauh semula jadi, dan mempunyai kelebihan kecerahan tinggi, lebar talian sempit dan penghantaran dalam arah tertentu.Oleh itu, sejak penemuan laser udara, aplikasinya dalam bidang penderiaan jauh atmosfera telah menarik perhatian besar daripada penyelidik di dalam dan luar negara.Walau bagaimanapun, bagaimana untuk menggunakan "laser udara" baharu ini untuk "mendiagnos" atmosfera dengan tepat?Satu pasukan penyelidik di Makmal Utama Negeri bagi Fizik Laser Medan Innse di Institut Optik dan Mekanik Shanghai, Akademi Sains China, telah menghasilkan jawapannya.Pasukan itu melaporkan teknik penyerakan Raman koheren bantuan laser udara dan berjaya merekodkan "cap jari molekul" gas rumah hijau CO2 dan SF6 di atmosfera, mencapai pengesanan gas rumah hijau dalam kepekatan atmosfera serendah 3 PPM, dan menunjukkan keupayaan teknik untuk pengukuran serentak pelbagai komponen dan resolusi isotop CO2.
Pengesanan jauh yang sangat sensitif terhadap bahan pencemar udara dan agen biokimia adalah sangat penting untuk sains alam sekitar dan keselamatan pertahanan negara.Perkembangan pesat teknologi laser ultra-kuat dan ultra-pendek menyediakan alat yang berkuasa untuk penderiaan jauh optik jauh.Di satu pihak, filamen laser femtosecond tenaga tinggi boleh menghantar secara bebas di atmosfera pada jarak jauh tanpa pembelauan.Sebaliknya, satu siri sumber sinaran sekunder yang disebabkan oleh filaminasi laser femtosaat, seperti cahaya putih supercontinuous, laser udara, pendarfluor molekul, dll., menyediakan "probe" jauh semula jadi untuk penderiaan jauh atmosfera.Oleh itu, teknologi penderiaan jauh optik berdasarkan laser ultrafast telah menarik banyak perhatian dalam dua dekad yang lalu.Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penemuan dan penyelidikan meluas laser udara telah menyuntik tenaga baharu ke dalam penderiaan jauh optik ultrafast.Laser udara, yang mengambil suasana di mana-mana sebagai medium keuntungan dan saluran plasma yang dijana oleh laser femtosecond sebagai pembawa, mempunyai kelebihan keamatan tinggi, spektrum sempit, arahan ruang yang baik dan wujud semula jadi bersama pancaran pam, menjadikannya "probe" yang ideal. ” untuk pengesanan atmosfera.Walau bagaimanapun, penggunaan "laser udara" sebagai alat baharu untuk pengesanan atmosfera masih menghadapi cabaran besar dari segi prinsip, kaedah, sensitiviti dan kestabilan.
Pasukan penyelidik Makmal Utama Negeri bagi Fizik Laser Medan Tinggi, Institut Optik dan Mekanik Shanghai, Akademi Sains China telah komited untuk penyelidikan fizik medan tinggi dan aplikasi penderiaan jauh laser udara sejak fenomena "laser udara" disebabkan. oleh pengionan medan tinggi pertama kali dilaporkan di dunia pada tahun 2011 [Fiz.Rev.A 84, 051802 (2011)].Baru-baru ini, pasukan itu membangunkan teknik spektroskopi Raman koheren yang sangat sensitif menggunakan laser udara, yang membolehkan pengesanan kuantitatif kepekatan gas rumah hijau atmosfera, pengesanan serentak berbilang komponen, dan pengenalpastian isotop CO2, dengan kepekaan pengesanan sehingga 0.03% dan jitter isyarat minimum sehingga 2%.Penyelidikan yang berkaitan diterbitkan dalam Sains Ultrafast mengenai Pengesanan Gas Kepekaan Tinggi dengan Spektroskopi Raman Koheren Berbantukan Udara.
Prinsip asas spektroskopi Raman koheren bantuan laser udara ditunjukkan dalam Rajah 1. Interaksi tak linear yang melampau antara laser femtosaat dan udara, dalam satu tangan, merangsang keuntungan optik molekul udara, merealisasikan penguatan benih lebih daripada 1000 kali ganda, dan menghasilkan laser udara ion nitrogen dengan panjang gelombang 428 nm dan lebar garis 13 cm-1.Pada masa yang sama, laser femtosaat menghantar secara tidak linear di atmosfera, memanjangkan lebar jalur spektrum kepada 3800 cm-1, yang lebih daripada satu urutan magnitud lebih luas daripada spektrum kejadian, dan mencukupi untuk merangsang getaran Raman yang koheren bagi kebanyakan molekul pencemar. dan gas rumah hijau di udara.Apabila laser udara bertemu dengan molekul yang bergetar secara koheren, hamburan Raman yang koheren dijana dengan berkesan.Dengan merekodkan anjakan frekuensi antara isyarat Raman yang koheren dan laser udara, yang dikenali sebagai "cap jari Raman", "maklumat identiti" molekul — komposisi kimianya — boleh dipelajari.
Rajah 1. Prinsip asas teknik penyerakan Raman koheren berbantu laser udara: (a) Gambarajah skematik mekanisme penjanaan laser udara dan penyebaran Raman koheren;(b) Perbandingan antara spektrum cahaya pam yang diluaskan dan spektrum asal;(c) Pengagihan spektrum dan ruang bagi laser bawaan udara.
Spektroskopi Raman koheren bantuan laser udara menggabungkan kelebihan dwi laser femtosaat dan laser udara: laser femtosaat mempunyai spektrum luas dan lebar nadi pendek, yang boleh merangsang getaran koheren banyak molekul gas secara serentak.Spektrum sempit laser udara boleh digunakan sebagai probe dengan resolusi spektrum tinggi, yang boleh membezakan cap jari Raman bagi molekul yang berbeza dengan berkesan.Oleh itu, teknologi boleh memenuhi keperluan pengukuran berbilang komponen dan kekhususan kimia.Dalam kajian ini, nisbah isyarat-ke-bunyi bagi isyarat Raman yang koheren dipertingkatkan dengan berkesan dengan menggunakan teknologi penapisan amplifikasi dan polarisasi benih, dan bunyi latar belakang dan jitter isyarat yang disebabkan oleh penjanaan cahaya putih super berterusan ditindas dengan ketara, sekali gus meningkatkan sensitiviti pengesanan dan kestabilan.Pasukan penyelidik menggunakan teknologi spektroskopi Raman koheren berbantukan laser udara untuk mengukur hubungan kuantitatif antara keamatan isyarat Raman CO2 dan SF6 di atmosfera dan kepekatan gas yang sepadan.Kepekatan minimum CO2 dan SF6 yang dikesan masing-masing ialah 0.1% dan 0.03%, dan jitter isyarat minimum mencapai 2% (Rajah 2).
Rajah 2. Hubungan kuantitatif antara keamatan isyarat Raman koheren yang diukur dengan eksperimen dan kepekatan gas.Ilustrasi menunjukkan isyarat Raman CO2 dan SF6 diukur pada kepekatan minimum.Kepekatan minimum CO2 yang dikesan (puncak Raman 1388 cm-1) dan SF6 ialah 0.1% dan 0.03%, masing-masing
Selanjutnya, teknik ini boleh digunakan untuk pengukuran berbilang komponen serentak dalam campuran udara, CO2, dan SF6, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(a)-(c), mendapat manfaat daripada pengujaan berbilang komponen laser femtosaat dan keupayaan resolusi berbilang komponen laser udara.Lebih penting lagi, spektroskopi Raman koheren bantuan laser udara boleh digunakan untuk membezakan secara berkesan antara gas isotop 12CO2 dan 13CO2, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3(d).
Rajah 3. Raman memberi isyarat (a) CO2 pada kepekatan 0.5% dalam udara, (b) SF6 pada kepekatan 0.1%, (c) CO2 pada kepekatan 0.5% dan SF6 pada kepekatan 0.1%, diukur oleh spektroskopi Raman koheren bantuan laser udara;(d) Isyarat Raman 12CO2 dan 13CO2, kedua-duanya pada kepekatan 0.4% di udara
Ringkasan dan prospek
Spektroskopi Raman koheren bantuan laser udara, yang menggabungkan kelebihan laser femtosecond dan laser udara, bukan sahaja boleh digunakan untuk pengesanan yang sangat sensitif terhadap kepekatan gas rumah hijau biasa di udara, tetapi juga mempunyai keupayaan pengukuran berbilang komponen dan resolusi isotop. .Pengukuran korelasi pelbagai bahan pencemar dan gas rumah hijau dan pengesanan isotop CO2 adalah sangat penting untuk mengesan punca pencemaran atmosfera, mengkaji proses kitaran karbon dan mengesahkan sumber dan tenggelam pelepasan karbon, dan juga merupakan kelebihan penting teknologi ini. berbanding teknologi penderiaan jauh tradisional.Walau bagaimanapun, untuk mencapai ukuran ketepatan tinggi bagi bahan pencemar di atmosfera, adalah perlu untuk meningkatkan kepekaan pengesanan kepada ppm atau bahkan tahap ppb, dan memperluaskan jarak pengesanan dari skala makmal ke skala kilometer.Adalah dipercayai bahawa melalui inovasi dan pembangunan refrequency tinggi, teknologi laser femtosecond tenaga tinggi dan teknologi pengesanan sensitiviti tinggi, teknologi ini dijangka akan bertambah baik dengan ketara dalam jarak pengesanan dan kepekaan, memenuhi keperluan aplikasi praktikal pengesanan atmosfera, dan berfungsi strategi "dwi karbon" kebangsaan.
Pengarang memperkenalkan Shao
Zhihao Zhang (pengarang pertama) ialah calon kedoktoran yang dilatih bersama oleh Universiti Sains dan Teknologi Shanghai dan Institut Optik dan Jentera Shanghai, Akademi Sains China.Minat penyelidikannya ialah interaksi laser femtosecond dengan jirim.Beliau telah menerbitkan 9 kertas kerja dalam jurnal seperti Ultrafast Science and Science Bulletin.
Fangbo Zhang (pengarang bersama pertama) ialah calon PhD di Institut Optik dan Komputer Shanghai, Akademi Sains China.Minat penyelidikannya termasuk optik ultrafast medan tinggi dan spektroskopi tak linear.Beliau telah menerbitkan 3 kertas kerja akademik dalam Opt.Lett., Phys.Rev.A dan jurnal lain sebagai pengarang pertama dan pengarang bersama pertama.Beliau telah dianugerahkan Biasiswa Pelajar Cemerlang dan penghormatan Pelajar Merit dari Institut Optik dan Jentera Shanghai.
Sebagai pengarang pertama/yang sepadan, beliau menerbitkan 38 kertas kerja dalam Phys Rev. Lett., Buletin Sains, dsb., dan hasil penyelidikannya dipilih sebagai "Pencapaian Penting dalam Optik Cina", Anugerah Optik Asas Rao Yutai dan artikel muka depan.Kerja asal dalam arah laser udara telah disebut hampir 200 kali.Dibiayai oleh projek "Belia Cemerlang" Jawatankuasa Yayasan Kebangsaan, beliau telah dipilih sebagai Pemimpin Akademik Cemerlang Shanghai, Bakat Terunggul Belia Shanghai dan Bintang Sains dan Teknologi Muda Shanghai.Ahli lembaga editorial Laser China dan Ahli Lembaga Editorial Belia Ultrafast Science.
Cheng Ya (pengarang yang sepadan) ialah seorang penyelidik di Institut Optik dan Jentera Shanghai, Akademi Sains China, dan seorang profesor di Pusat Pengajian Fizik dan Sains Elektronik, Universiti Normal China Timur.Beliau terlibat terutamanya dalam penyelidikan optik tak linear ultrahalus dan pembuatan mikro-nano laser.Beliau telah menerbitkan lebih daripada 200 kertas kerja dan lebih daripada 10,000 petikan, dengan faktor H lebih daripada 50. Beliau telah ditaja oleh Yayasan Sains Kebangsaan untuk Orang Muda Cemerlang selama lebih daripada 100 kali.Beliau telah berturut-turut berkhidmat sebagai ketua saintis projek Rancangan 973 Kebangsaan dan projek Rancangan penyelidikan dan pembangunan utama.Beliau telah menerbitkan 1 monograf dalam bahasa Cina dan 5 monograf dalam bahasa Inggeris.Beliau ialah ahli Persatuan Optik Amerika, ahli Persatuan Fizikal British, dan ahli Persatuan Optik Cina.
Xu Zhi-zhan (pengarang yang sepadan) ialah seorang penyelidik di Institut Optik dan Jentera Shanghai, Akademi Sains China, Ahli Akademik Akademi Sains China, dan ahli Akademi Sains Dunia Ketiga.Beliau adalah salah seorang pemimpin awal dalam bidang gabungan laser kurungan inersia di China, dan perintis dalam bidang baharu sains laser super-kuat dan ultra-pendek serta fizik medan yang kuat di China.Beliau berkhidmat sebagai pengarah Institut Jentera Optik Shanghai dan naib presiden Persatuan Optik Cina.Beliau mempengerusikan penyelidikan gabungan laser untuk masa yang lama dan membuat sumbangan perintis dan cemerlang.Ia telah membuat penemuan saintifik yang sistematik dalam penyelidikan sempadan penting mengenai interaksi antara laser sengit dan jirim.Buat pertama kali di dunia, 8 laser sinar-X panjang gelombang baharu telah diperolehi oleh litium dan skema ion seperti natrium, dan panjang gelombang terpendek telah mencapai 46.8 angs.Ia telah membuka bidang baharu sains laser super super pendek dan fizik medan yang kuat di China dan membuat pencapaian cemerlang.Sebagai pemenang pertama, beliau telah memenangi 1 hadiah pertama Anugerah Kemajuan Sains dan Teknologi Kebangsaan, 2 hadiah kedua Anugerah Sains Semula Jadi Kebangsaan, 1 hadiah kedua Anugerah Reka Cipta Kebangsaan, 4 hadiah pertama Akademi Sains Sains China. Anugerah dan Anugerah Kemajuan Sains dan Teknologi, 2 hadiah pertama Anugerah Kemajuan Sains dan Teknologi Shanghai dan Anugerah Sains Semulajadi, dsb. Pada tahun 1996, beliau memenangi Anugerah Merit Sains dan Teknologi Shanghai.Anugerah Yayasan He Liang Ho Li untuk Kemajuan Saintifik dan Teknologi pada tahun 1998. Pada tahun 2006, beliau telah dianugerahkan Pingat Emas untuk "Sumbangan Cemerlang kepada sains laser" di Persidangan Antarabangsa mengenai Sains Laser Ultra Pantas dan Intens.
Masa siaran: Mac-09-2023